Varios protocolos de proba (Brinell, Rockwell, Vickers) teñen procedementos específicos para o proxecto en proba. A proba T de Rockwell é axeitada para inspeccionar tubos de parede lixeira cortando o tubo lonxitudinalmente e probando a parede desde o diámetro interior en lugar do diámetro exterior.
Encomendar un tubo é un pouco como ir a un concesionario de coches e encomendar un coche ou unha camioneta. Hoxe en día, as moitas opcións dispoñibles permiten aos compradores personalizar o vehículo de diversas maneiras: cores interiores e exteriores, paquetes de acabados interiores, opcións de estilo exterior, opcións de tren motriz e un sistema de son que case rivaliza cun sistema de entretemento doméstico. Dadas todas estas opcións, pode que non esteas satisfeito cun vehículo estándar e sen adornos.
As tubaxes de aceiro son precisamente iso. Ten miles de opcións ou especificacións. Ademais das dimensións, a especificación enumera propiedades químicas e varias propiedades mecánicas, como a resistencia mínima ao rendemento (MYS), a resistencia máxima á tracción (UTS) e o alongamento mínimo antes da falla. Non obstante, moitos na industria (enxeñeiros, axentes de compras e fabricantes) usan abreviaturas aceptadas na industria que requiren o uso de tubaxes soldadas "normais" e especifican só unha característica: a dureza.
Tenta pedir un coche por unha soa característica ("Necesito un coche con transmisión automática") e non chegarás moi lonxe cun vendedor. Ten que cubrir un formulario de pedido con moitas opcións. A tubaxe é precisamente iso: para obter a tubaxe axeitada para a aplicación, o fabricante da tubaxe necesita máis información que só a dureza.
Como se converte a dureza nun substituto recoñecido doutras propiedades mecánicas? Probablemente comezou cun produtor de tubos. Dado que as probas de dureza son rápidas, sinxelas e requiren equipos relativamente baratos, os vendedores de tubos adoitan usar probas de dureza para comparar dous tubos. Para realizar unha proba de dureza, todo o que precisan é un tramo liso de tubo e un banco de probas.
A dureza do tubo correlaciónase ben coa UTS e, como regra xeral, as porcentaxes ou os rangos de porcentaxes son útiles para estimar a MYS, polo que é doado ver como as probas de dureza poden ser un indicador axeitado para outras propiedades.
Ademais, outras probas son relativamente complexas. Mentres que as probas de dureza só levan un minuto aproximadamente nunha soa máquina, as probas de MYS, UTS e de alongamento requiren a preparación da mostra e un investimento significativo en grandes equipos de laboratorio. En comparación, un operador de laminadora de tubos tarda segundos en realizar unha proba de dureza e horas en realizar unha proba de tracción. Non é difícil realizar unha comprobación de dureza.
Isto non quere dicir que os fabricantes de tubaxes de enxeñaría non empreguen probas de dureza. Pódese dicir que a maioría da xente o fai, pero como realizan avaliacións de repetibilidade e reproducibilidade de calibre en todos os seus equipos de proba, son ben conscientes das limitacións da proba. A maioría emprega a avaliación da dureza dos tubos como parte do proceso de produción, pero non a empregan para cuantificar as propiedades dos tubos. Esta é só unha proba de aprobado/suspenso.
Por que necesitas saber sobre MYS, UTS e alongamento mínimo? Indican como se comportará o tubo na montaxe.
A forza mínima normal (MYS) é a forza mínima que causa a deformación permanente do material. Se intentas dobrar lixeiramente un arame recto (como unha percha) e liberar a presión, ocorrerá unha destas dúas cousas: volverá ao seu estado orixinal (recto) ou permanecerá dobrado. Se aínda está recto, non superaches a MYS. Se aínda está dobrado, superáchela.
Agora, usa uns alicates para suxeitar ambos extremos do arame. Se podes rasgar o arame en dous anacos, superaches a súa UTS. Púselle moita tensión e tes dous arames para demostrar o teu esforzo sobrehumano. Se a lonxitude orixinal do arame é de 5 polgadas e as dúas lonxitudes despois da falla suman 6 polgadas, o arame estirouse 1 polgada ou un 20 %. A proba de alongamento real mídese a 2 polgadas do punto de falla, pero sexa o que sexa, o concepto de arame de tracción ilustra a UTS.
As mostras de aceiro para microfotografía deben cortarse, pulirse e gravarse cunha solución lixeiramente ácida (xeralmente ácido nítrico e alcohol (nitroetanol)) para que os grans sexan visibles. Un aumento de 100x úsase habitualmente para inspeccionar os grans de aceiro e determinar o tamaño do gran.
A dureza é unha proba de como un material responde ao impacto. Imaxina meter un anaco curto de tubo nun torno con mordazas serradas e xirar o torno para pechalo. Ademais de aplanar o tubo, as mordazas do torno tamén deixan marcas na superficie do tubo.
Así é como funciona a proba de dureza, pero non é tan brusca. Esta proba ten un tamaño de impacto controlado e unha presión controlada. Estas forzas deforman a superficie, creando unha indentación ou afundimento. O tamaño ou a profundidade da indentación determina a dureza do metal.
Para avaliar o aceiro, as probas de dureza máis habituais son Brinell, Vickers e Rockwell. Cada unha ten a súa propia escala e algunhas teñen varios métodos de proba, como Rockwell A, B e C. Para as tubaxes de aceiro, a especificación ASTM A513 fai referencia á proba Rockwell B (abreviada como HRB ou RB). A proba Rockwell B mide a diferenza na penetración do aceiro por unha bóla de aceiro de 1⁄16 de polgada de diámetro entre unha pequena precarga e unha carga primaria de 100 kgf. Un resultado típico para o aceiro doce estándar é HRB 60.
Os científicos de materiais saben que a dureza está relacionada linealmente coa UTS. Polo tanto, unha dureza dada pode predicir a UTS. Do mesmo xeito, os fabricantes de tubos saben que a MYS e a UTS están relacionadas. Para os tubos soldados, a MYS adoita ser do 70 % ao 85 % da UTS. A cantidade exacta depende do proceso de fabricación do tubo. A dureza do HRB 60 correlaciónase cunha UTS de 60 000 libras por polgada cadrada (PSI) e unha MYS do 80 %, ou 48 000 PSI.
A especificación de tubaxes máis común na fabricación xeral é a dureza máxima. Ademais do tamaño, o enxeñeiro preocupábase por especificar unha tubaxe soldada por resistencia eléctrica (ERW) dentro dun bo rango de traballo, o que podería resultar nunha dureza máxima de posiblemente HRB 60 no debuxo do compoñente. Esta decisión por si soa leva a unha serie de propiedades mecánicas finais, incluída a propia dureza.
En primeiro lugar, a dureza do HRB 60 non nos di moito. A lectura de HRB 60 é un número adimensional. O material avaliado con HRB 59 é máis brando que o material probado con HRB 60, e o HRB 61 é máis duro que o HRB 60, pero en canto? Non se pode cuantificar como o volume (medido en decibeis), o par (medido en libras-pé), a velocidade (medida en distancia relativa ao tempo) ou a UTS (medida en libras por polgada cadrada). A lectura de HRB 60 non nos di nada específico. Esta é unha propiedade do material, pero non unha propiedade física. En segundo lugar, as probas de dureza non son axeitadas para a repetibilidade ou a reproducibilidade. Avaliar dúas localizacións nunha mostra de proba, mesmo se as localizacións de proba están preto unha da outra, adoita resultar nunha gran variación nas lecturas de dureza. A natureza da proba agrava este problema. Despois de medir unha posición, non se pode medir unha segunda vez para verificar os resultados. A repetibilidade da proba non é posible.
Isto non significa que as probas de dureza sexan inconvenientes. De feito, proporcionan unha boa guía para a UTS dun material e é unha proba rápida e sinxela de realizar. Non obstante, todas as persoas implicadas na especificación, compra e fabricación de tubos deben ser conscientes das súas limitacións como parámetro de proba.
Dado que a tubaxe "normal" non está ben definida, cando é necesario, os fabricantes de tubaxes adoitan reducila ás dúas tubaxes de aceiro e tipos de tubaxes máis utilizados definidos na norma ASTM A513: 1008 e 1010. Mesmo despois de eliminar todos os demais tipos de tubos, as posibilidades en termos de propiedades mecánicas destes dous tipos de tubos son moi abertas. De feito, estes tipos de tubos teñen a maior gama de propiedades mecánicas de calquera tipo.
Por exemplo, un tubo descríbese como brando se a súa resistencia á tracción (MYS) é baixa e o alongamento é alto, o que significa que ten un mellor rendemento en tracción, deflexión e deformación que un tubo descrito como duro, que ten unha MYS relativamente alta e un alongamento relativamente baixo. Isto é similar á diferenza entre o arame brando e o duro, como os perchas e os berbiquís.
O alongamento en si é outro factor que ten un impacto significativo nas aplicacións críticas de tubaxes. Os tubos con alongamento elevado poden soportar forzas de tracción; os materiais con alongamento baixo son máis fráxiles e, polo tanto, máis propensos a fallos catastróficos de tipo fatiga. Non obstante, o alongamento non está directamente relacionado coa UTS, que é a única propiedade mecánica directamente relacionada coa dureza.
Por que varían tanto as propiedades mecánicas dos tubos? En primeiro lugar, a composición química é diferente. O aceiro é unha solución sólida de ferro e carbono e outras aliaxes importantes. Para simplificar, aquí só trataremos as porcentaxes de carbono. Os átomos de carbono substitúen algúns dos átomos de ferro, formando a estrutura cristalina do aceiro. A ASTM 1008 é un grao primario que o abarca todo cun contido de carbono do 0 % ao 0,10 %. Cero é un número moi especial que produce propiedades únicas cando o contido de carbono no aceiro é ultrabaixo. A ASTM 1010 especifica un contido de carbono entre o 0,08 % e o 0,13 %. Estas diferenzas non parecen enormes, pero son o suficientemente grandes como para marcar unha gran diferenza noutros lugares.
En segundo lugar, o tubo de aceiro pode fabricarse ou fabricarse e posteriormente procesarse en sete procesos de fabricación diferentes. A norma ASTM A513 relacionada coa produción de tubos ERW enumera sete tipos:
Se a composición química do aceiro e os pasos de fabricación do tubo non teñen ningún efecto na dureza do aceiro, cal é? Responder a esta pregunta significa estudar detidamente os detalles. Esta pregunta suscita dúas preguntas máis: que detalles e ata que punto se aproximan?
Os detalles sobre os grans que compoñen o aceiro son a primeira resposta. Cando se fabrica aceiro nunha acería primaria, non se arrefría nun bloque enorme cunha soa característica. A medida que o aceiro arrefría, as moléculas do aceiro organízanse en patróns repetitivos (cristais), de xeito similar a como se forman os copos de neve. Despois de que se formen os cristais, agréganse en grupos chamados grans. A medida que o arrefriamento avanza, os grans crecen e fórmanse por toda a lámina ou placa. Os grans deixan de crecer a medida que as últimas moléculas de aceiro son absorbidas polos grans. Todo isto ocorre a nivel microscópico porque o tamaño medio do gran de aceiro é duns 64 µ ou 0,0025 polgadas de ancho. Aínda que cada gran é similar ao seguinte, non son iguais. Varían lixeiramente en tamaño, orientación e contido de carbono. A interface entre os grans chámase límite de gran. Cando o aceiro falla, por exemplo debido a gretas de fatiga, tende a fallar ao longo dos límites de gran.
Ata onde tes que mirar para ver grans discernibles? Un aumento de 100x, ou a visión humana de 100x, é suficiente. Non obstante, só mirar aceiro sen tratar a 100 veces a potencia non revela moito. A mostra prepárase pulíndoa e gravando a superficie cun ácido (xeralmente ácido nítrico e alcohol) chamado gravante de nitroetanol.
Son os grans e a súa rede interna os que determinan a resistencia ao impacto, a MYS, a UTS e o alongamento que un aceiro pode soportar antes da falla.
As etapas da fabricación do aceiro, como a laminación en quente e en frío da tira, aplican tensión na estrutura do gran; se cambian de forma permanentemente, isto significa que a tensión deforma o gran. Outros pasos de procesamento, como enrolar o aceiro en bobinas, desenrolalo e deformar os grans de aceiro a través dun laminador de tubos (para formar e dimensionar o tubo). O estirado en frío do tubo no mandril tamén exerce presión sobre o material, do mesmo xeito que os pasos de fabricación, como a conformación e o dobrado dos extremos. Os cambios na estrutura do gran chámanse dislocacións.
Os pasos anteriores esgotan a ductilidade do aceiro, que é a súa capacidade para soportar a tensión de tracción (apertura por arranque). O aceiro vólvese fráxil, o que significa que é máis probable que se rompa se se segue traballando nel. O alongamento é un compoñente da ductilidade (a compresibilidade é outro). É importante entender que a falla ocorre con máis frecuencia durante a tensión de tracción, non durante a compresión. O aceiro é moi resistente á tensión de tracción debido á súa capacidade de alongamento relativamente alta. Non obstante, o aceiro defórmase facilmente baixo tensión de compresión (é dúctil), o que é unha vantaxe.
O formigón ten unha alta resistencia á compresión pero baixa ductilidade en comparación co formigón. Estas propiedades son opostas ás do aceiro. Por iso, o formigón empregado en estradas, edificios e beirarrúas adoita ir equipado con varillas corrugadas. O resultado é un produto coas resistencias de dous materiais: baixo tensión, o aceiro é forte e, baixo presión, o formigón.
Durante o traballo en frío, a medida que a ductilidade do aceiro diminúe, a súa dureza aumenta. Noutras palabras, endurecerá. Dependendo da situación, isto pode ser unha vantaxe; non obstante, pode ser unha desvantaxe, xa que a dureza equivale á fraxilidade. É dicir, a medida que o aceiro se endurece, faise menos elástico; polo tanto, é máis probable que falle.
Noutras palabras, cada paso do proceso consome parte da ductilidade do tubo. Endurécese a medida que a peza traballa e, se é demasiado duro, é basicamente inútil. A dureza é a fraxilidade e é probable que un tubo fráxil falle cando se usa.
O fabricante ten algunha opción neste caso? En resumo, si. Esa opción é o recocido e, aínda que non é totalmente máxico, é o máis parecido á maxia posible.
En termos sinxelos, o recocido elimina todos os efectos da tensión física sobre o metal. Este proceso quenta o metal a unha temperatura de alivio da tensión ou recristalización, eliminando así as dislocacións. Dependendo da temperatura e o tempo específicos empregados no proceso de recocido, o proceso restaura así parte ou toda a súa ductilidade.
O recocido e o arrefriamento controlado promoven o crecemento do gran. Isto é beneficioso se o obxectivo é reducir a fraxilidade do material, pero o crecemento incontrolado do gran pode abrandar demasiado o metal, facéndoo inutilizable para o seu uso previsto. Deter o proceso de recocido é outra cousa case máxica. O temple á temperatura correcta co axente de temple correcto no momento adecuado fai que o proceso se deteña rapidamente para obter as propiedades de recuperación do aceiro.
Deberíamos eliminar a especificación de dureza? Non. As características de dureza son valiosas principalmente como punto de referencia ao especificar tubos de aceiro. Unha medida útil, a dureza é unha das varias características que se deben especificar ao pedir material tubular e comprobar ao recibilo (e deben rexistrarse con cada envío). Cando a inspección de dureza é o estándar de inspección, debe ter valores de escala e rangos de control axeitados.
Non obstante, non é unha proba real para cualificar (aceptar ou rexeitar) material. Ademais da dureza, os fabricantes deberían probar ocasionalmente os envíos para determinar outras propiedades relevantes, como MYS, UTS ou alongamento mínimo, dependendo da aplicación do tubo.
Wynn H. Kearns is responsible for regional sales for Indiana Tube Corp., 2100 Lexington Road, Evansville, IN 47720, 812-424-9028, wkearns@indianatube.com, www.indianatube.com.
Tube & Pipe Journal converteuse na primeira revista dedicada á industria das tubaxes metálicas en 1990. Hoxe en día, segue sendo a única publicación en América do Norte dedicada á industria e converteuse na fonte de información máis fiable para os profesionais das tubaxes.
Agora, con acceso completo á edición dixital de The FABRICATOR, acceso sinxelo a recursos valiosos da industria.
A edición dixital de The Tube & Pipe Journal xa é totalmente accesible, o que proporciona un acceso sinxelo a valiosos recursos da industria.
Goza de acceso completo á edición dixital de STAMPING Journal, que ofrece os últimos avances tecnolóxicos, as mellores prácticas e as novidades do sector para o mercado da estampación de metais.
Goza de acceso completo á edición dixital de The Additive Report para aprender como se pode empregar a fabricación aditiva para mellorar a eficiencia operativa e aumentar os beneficios.
Agora, con acceso completo á edición dixital de The Fabricator en Español, tes acceso doado a recursos valiosos da industria.